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摘要：随着经济社会的快速发展，能源危机与污染问题日趋严重，中国政府开始积极推动新能源汽车的发展，纯电动汽车备受瞩目。电池是为电动汽车提供动力的关键部分，因此影响着整车的性能，电池工作性能受温度的影响比较大，常常通过电池热管理系统加以控制。电池冷却方式主要有液体冷却、空气冷却、相变冷却等，本文研究了采用气体冷却方式时电池组温度变化特性，并探讨了在电池组中加入翅片冷却电池组的效果。
关键词：片电池；锂离子电池；空气冷却；热管理系统；翅片；开缝翅片；仿真分析
1前言
随着中国经济和汽车工业的快速发展，中国汽车数量增加迅猛，根据国家统计局公布的《2014年国民经济和社会发展统计公报》，2014年末全国民用汽车数量达到了15447万辆，比上年增长12.4%，且从2010年以来中国汽车产量呈不断增长态势。传统内燃机汽车尾气污染环境，而新能源汽车特别是公交车能够改善城市污染和噪音问题，有效实现节能减排。当得到广泛应用后，可以在电网负荷的低谷时期进行充电，缓解电网压力，因此政府积极倡导人人使用。电动汽车逐渐进入了高速发展的阶段，新能源汽车逐渐发挥优势，纯电动汽车、燃料电池、混合动力汽车等的推广及应用初具规模。新能源汽车动力电池是电动汽车的关键部分，由于实际运行中电池充放电、过放电、大电流放电以及短路时，产生的热量导致电池温度过高，破坏电池性能，缩短电池寿命。电池成组使用时也会由于各单体电池性能不一致而降低电池组性能。为了使锂电池组最大程度发挥作用，延长电池使用寿命，必须进行合理的电池热管理。电池热管理的主要目的是将电池工作温度控制在目标范围内，一般采用空气、液体、相变材料、热管等介质来控制电池温度。
2电池组热管理方式探究
2.1电池组热管理的作用
动力车用锂电动汽车的运行工况较为复杂，工作过程中，锂离子电池会产生大量的热，导致电池温度过高，影响工作性能及寿命，而热量的累积易造成热失控等安全事故。过高或过低的温度都会影响电池的寿命和安全，电池工作温度高于45℃时电池功率衰减较为严重。研究锂电池工作过程中的温度场，进行热管理，控制最高最低温度及温度均匀性可以提高电池的稳定性、安全性和有效使用周期延长电池寿命。锂电池出现热失控的主要原因有四点：电池过充、过放、电池长期工作在高温环境，影响隔膜收缩、电池受到冲击挤压等破坏性操作，导致pack或模组内部发生短路。以上均存在引起热失控的潜在风险电池过充，擅自改装电池结构，环境温度高于60℃，电池隔膜破裂导致的短路问题。热失控时容易出现类似所示的燃烧问题，更严重的是存在爆炸的危险。
关于电动汽车电池的最佳工作温度范围并没有严格的标准，研究显示，磷酸铁锂电池的最佳工作温度范围为18~45℃，合适的电池温差应不高于10℃，更为严格的控制标准是工作温度25~40℃，温差小于5℃。一般设计热管理系统时，希望将电池的温度控制在25~45℃，最高安全温度55℃。将电池温度控制在20~45℃之间，除能有效提高电池的使用寿命与可靠性之外，还能避免电池低温充电析锂造成的短路以及高温热失控，提高电池使用安全性。
2.2翅片散热研究及应用
散热器强化散热一般采用空气侧表面设置翅片的方法，翅片的形状、位置均会影响其散热效果。车辆散热器中常用平直翅片、百叶窗翅片、锯齿翅片、波纹翅片四种结构。翅片与相材料结合可以有效控制电子元器件或电动汽车电池温度变化，采用平行翅片、交叉翅片、蜂窝状翅片均可以提高相变材料的导热系数。
3风冷热管理系统对温度场的影响
本文以电池最高温度maxT与最大温差max∆T作为评价电池热管理系统冷却效果的标准，最大温差max∆T的定义为：
式中，maxT、minT是电池组热管理系统温度场的瞬时最高温度和最低温度。
3.1电池组仿真模型
将10块锂离子电池串联成电池组进行热管理系统的仿真分析，本节研究电池排布方式、电池通风壳体及加入不同尺寸翅片来研究电池组热效应，同时分析了相变冷却电池组的效果。模拟过程中，环境温度25℃，假设放电完全，则1800s时放电结束。
3.1.1电池组单面冷却与双面冷却本文使用的薄片电池厚度为
7.7mm，考虑将两块电池紧密贴合（单面冷却），与电池单体互相间隔（双面冷却）的温度场对比。采用电池组电池间隙均为4mm，外壁面为恒温边界条件，设置对流换热系数为hl=5Wm-2K-1。仿真所得电池组温度云图如图3-1所示，(a)为单体电池间存在4mm电池组，(b)由于两块电池组贴合，忽略电池表面热阻，可视为5块厚度为15.4mm的电池串联组成电池组。
图3-1双面冷却和单面冷却的电池组温度云图
观察图3-1可知，通常风冷的双面冷却需要更多的散热面积，通风通道占用的面积更大，成组体积越大。双面冷却的优点在于可以节省电池组体积，因此需要根据实际需要，考虑电池温度与体积的要求来选择电池组的排布方式。
3.2电池组不同通风方式
电池的通风方式影响电池与冷却流体的接触面积，因此改变进出风口的位置可以改善电池组的温度分布。关于电池通风方式的研究主要集中于串并联通风效果的对比及进出风口位置、倾角的影响。一般来说，并联通风效果优于串联通风，根据文献研究结果，电池通风口倾斜角度为4°时，流场流速均匀性较好。本文改变并联通风电池组的出风口设置、进出风口有无4°倾角来分析电池热效应。电池组模型如图3-2所示，采用下端进风，上端出风。深色部分为电池体，浅灰色部分为空气流场，仿真设置方法。图3-2(a)为无倾角电池组热管理系统（模型a），图3(b)为通风进出口倾角均为4°（模型b）。
模型c在模型a和b的基础上做出改动，电池组上端为平直出风口，下端设置4°倾斜进风口，如图3-2(c)所示。模型d在模型b的基础上，将电池组上端开出5mm宽度缝，此时空气可以从右侧出风口和上端开缝处同时流出。模型e在模型b所示壳体上3号电池侧面对称开椭圆出风口，长轴为19.4mm，短轴为5mm。
相变材料的相变潜热可以降低电池组的温度，因此电池间隙之间相变材料厚度取2mm即可。由于相变材料达到相变温度以后，熔化成液体易出现泄露问题，且存在热胀冷缩现象，因此电池组上方不设置相变材料。实际模型中，电池组上端空出部分为电极位置，此模型也利于进行实验过程的电池接线操作。
3.3开缝式翅片散热系统
通过实验研究打孔翅片强化传热的效果，发现层流状态下，打孔对强化传热基本没有贡献，但可以转化流动状态。电瓶车，汽车运行风速一般处于4~16m/s范围内，根据几何尺寸计算可知通风后翅片内空气流场的状态。本文模型中空气流动处于湍流状态，因此打孔对于强化换热有积极作用。
4结束语
本文在阅读了大量关于电池热管理、翅片散热的文献的基础上，调研了动力汽车电池组热管理系统的发展现状和研究进展，从提高电池组温度场均匀性角度出发，研究了不同结构形式的电池热管理系统的性能。10块薄片磷酸铁锂电池串联组成的电池组并行通风时，通风方式影响其温度分布，在电池组进风口和出风口均设置4°倾斜角时，温度均匀性优于无倾角或仅入风口有倾角模型。在电池高温处附近设置出风口有利于降低压力，增大冷却空气流量，降低电池组最高温度。
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论文作者:蒋权英1,王冠军2,李军3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/21
标签：电池组论文; 电池论文; 管理系统论文; 温度论文; 锂电池论文; 翅片论文; 模型论文; 《基层建设》2019年第18期论文;